基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自密實(shí)混凝土間隙通過(guò)能力評(píng)價(jià)

張志恒,綦春明

(南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng)421001)

自密實(shí)混凝土(Self-compacting concrete,簡(jiǎn)稱SCC)的間隙通過(guò)能力[1]除了與骨料粒徑有關(guān)外,還與自密實(shí)混凝土拌合物的流動(dòng)性能、抗離析性能有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,因此間隙通過(guò)能力已成為評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土施工性能的重要指標(biāo)之一。近年來(lái),亞洲、歐洲、北美等地區(qū)在發(fā)展和應(yīng)用自密實(shí)混凝土的同時(shí),高度重視自密實(shí)混凝土工作性測(cè)試方法和技術(shù)研究,并取得一系列突破[2,3],比較有代表性的試驗(yàn)有:J形環(huán)試驗(yàn)、L形槽和U形箱試驗(yàn)[4],評(píng)價(jià)指標(biāo)有:通過(guò)率、高度差、內(nèi)外階梯高度/總流量等。這些研究都表明,J形環(huán)與坍落度筒結(jié)合,可以對(duì)SCC的間隙通過(guò)能力進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試,結(jié)合V形漏斗還可以得到SCC拌合物的穩(wěn)定性指標(biāo)。但是這些方法都尚未形成一套標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)的理論體系,不同的試驗(yàn)裝置評(píng)價(jià)指標(biāo)存在差異,優(yōu)越性難以區(qū)分。本研究通過(guò)選定J形環(huán)試驗(yàn)裝置對(duì)自密實(shí)混凝土間隙通過(guò)能力進(jìn)行試驗(yàn)研究,以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)模擬后的誤差和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交分析。從試驗(yàn)和理論分析中,得出一種測(cè)試自密實(shí)間隙通過(guò)能力的簡(jiǎn)便有效的方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)所用的水泥(C)為衡陽(yáng)“湘江”水泥(32.5R);粉煤灰摻合料(FA)為湘潭Ⅱ級(jí)灰,密度ρf=2.4 g/cm3,砂(S)為中砂,表觀密度 ρs=2.65 g/cm3。粗骨料粒粒徑為5 mm～20 mm的卵石(G),表觀密度 ρs=2.7 g/cm3,堆積密度ρb=1.55 kg/m3。減水劑聚羧酸鹽高效減水劑,水為普通自來(lái)水(W)。

本次研究的配合比如表1。

表1 自密實(shí)混凝土配合比(單位:kg/m3)

1.2 試驗(yàn)方法

參考國(guó)內(nèi)外J形環(huán)裝置:本次研究采用圓鋼筋焊接一個(gè)直徑為300 mm的圓環(huán),根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)10.2.1規(guī)定,選擇鋼筋凈距分別為20 mm、40 mm、50mm、60mm,經(jīng)計(jì)算所得在圓環(huán)上分別垂直焊接31、19、14、13根等距的 Φ 10 mm×100 mm的圓鋼,測(cè)試時(shí),將J形環(huán)套在坍落筒外,用測(cè)試坍落擴(kuò)展度的方法,讓自密實(shí)混凝土拌合物通過(guò)J形環(huán)流出,測(cè)量拌合物流平后的環(huán)內(nèi)外差H。

式中:hlm為中心最高點(diǎn)與環(huán)頂端的高度值;ham為環(huán)內(nèi)多點(diǎn)與環(huán)頂端高度值的平均值;hbm為環(huán)外多點(diǎn)與環(huán)頂端高度值的平均值。同時(shí),為了檢測(cè)環(huán)內(nèi)外SCC的質(zhì)量,考慮到坍落度筒的體積有限,將環(huán)內(nèi)、外自密實(shí)混凝土分別做成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試塊、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試抗壓強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,鋼筋間距為60 mm,即為粗骨料最大粒徑的2.5～3倍,直徑為300 mm的J形環(huán),可以測(cè)試自密實(shí)混凝土的間隙通過(guò)能力。其評(píng)價(jià)指標(biāo)為:當(dāng)H值為8 mm～12 mm,環(huán)內(nèi)外混凝土高差為5 mm～8 mm,擴(kuò)展度為680 mm～710 mm,間隙通過(guò)能力好。鋼筋間距對(duì)環(huán)內(nèi)外自密實(shí)混凝土強(qiáng)度基本沒(méi)有影響。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬

2.1 模擬方法

運(yùn)用MATLAB7.1中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱[5,6]來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SCC間隙通過(guò)性能網(wǎng)絡(luò)模型的建立及訓(xùn)練和測(cè)試過(guò)程。以無(wú)環(huán)(記為J0)的環(huán)外強(qiáng)度、環(huán)內(nèi)強(qiáng)度、環(huán)內(nèi)平均高度、環(huán)外平均高度、中心點(diǎn)高度、T50時(shí)間(即擴(kuò)展直徑達(dá)到500 mm時(shí)所用的時(shí)間)、擴(kuò)展度這7個(gè)量作為輸入,以鋼筋間距為60 mm的J形環(huán)(記為J60)環(huán)外強(qiáng)度、環(huán)內(nèi)強(qiáng)度、環(huán)內(nèi)平均高度、環(huán)外平均高度、中心點(diǎn)高度、T50時(shí)間、擴(kuò)展度作為輸出。隨機(jī)抽出8個(gè)C40樣本數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù),如表2所示。統(tǒng)一設(shè)定目標(biāo)goal=0.001,訓(xùn)練次數(shù)一般設(shè)為10 000次,并先后采用了TRAINCGF、TRAINOSS、TRAINSCG、TR AINRP、TR AINGDX和TRAINGDM共6種算法。如圖1所示。從圖中可以看出,TRAINRP算法只訓(xùn)練了50次就達(dá)到了要求的輸出精度,大大地加快了訓(xùn)練速度。

表2 SCC測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 SCC間隙通過(guò)性試驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過(guò)程圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果

期望輸出誤差設(shè)定為0.001時(shí),網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后進(jìn)行測(cè)試,將預(yù)測(cè)值與實(shí)際值繪制在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi),進(jìn)行線性擬合。由圖2可見(jiàn),預(yù)測(cè)值與實(shí)際值基本在擬合直線上,且直線幾乎通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn),說(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的偏差不大,預(yù)測(cè)效果良好。預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差見(jiàn)表3。由表3可以看出,對(duì)于8組用于測(cè)試的數(shù)據(jù),訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與目標(biāo)值的相對(duì)誤差絕大多數(shù)在0.15%以內(nèi),最大相對(duì)誤差只有0.36%。

3 正交分析

3.1 模擬誤差正交分析

為了進(jìn)一步了解鋼筋凈距的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬后的誤差進(jìn)行正交分析,采用綜合指標(biāo)法,根據(jù)試驗(yàn)的目的,所選的7個(gè)指標(biāo)具有不同的重要性,即T50和擴(kuò)展度的權(quán)重為0.2,中心點(diǎn)高度和環(huán)內(nèi)高度的權(quán)重為0.15,其余3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為0.1,七者之和為綜合量化指標(biāo)(如表4)。

圖2 SCC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與目標(biāo)值關(guān)系

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

表4 SCC模擬誤差正交分析

通過(guò)表4可以發(fā)現(xiàn):從單個(gè)指標(biāo)來(lái)看,隨鋼筋凈距的改變,環(huán)內(nèi)高度、中心點(diǎn)高度、T50、擴(kuò)展度的極差也比較大,說(shuō)明影響比較大;對(duì)環(huán)內(nèi)外強(qiáng)度、環(huán)外高度極差相對(duì)其它并不是很明顯。對(duì)于綜合指標(biāo),K3、K4相差不大,即鋼筋凈距為最大粒徑2.5倍的環(huán)和鋼筋凈距為最大粒徑3倍的環(huán)綜合指標(biāo)相近;而K1與K4相差比較大?？傊?如果鋼筋凈距為最大粒徑3倍的環(huán)是優(yōu)環(huán)的話,鋼筋凈距為最大粒徑2.5倍的環(huán)是更優(yōu)環(huán),可以用來(lái)檢測(cè)自密實(shí)混凝土的間隙通過(guò)能力。

4 結(jié) 論

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬、正交分析的自密實(shí)混凝土的間隙通過(guò)性研究,可以得出如下結(jié)論:

(1)利用直徑為300 mm的J形環(huán)和坍落度筒來(lái)測(cè)定自密實(shí)混凝土的間隙通過(guò)能力是技術(shù)可行的;

(2)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬SCC間隙通過(guò)性,訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差絕大多數(shù)在0.15%以內(nèi),最大相對(duì)誤差只有0.36%,并且收斂得很快;

(3)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模擬誤差的正交分析表明:直徑為300mm,鋼筋凈距為最大粒徑2.5倍的J形環(huán)是最優(yōu)環(huán),可以用來(lái)測(cè)試自密實(shí)混凝土的間隙通過(guò)性能。其評(píng)價(jià)指標(biāo)為:H值為8 mm～12mm,內(nèi)外高差為5 mm～8mm,擴(kuò)展度為675 mm～700mm。

[1]中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院等.自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2006.

[2]周紹青,石建軍,楊曉鋒,等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2005,3(4):42-45.

[3]傅沛興,張全貴,黃艷平.自密實(shí)混凝土檢測(cè)方法探討[J].混凝土,2006,(9):77-79.

[4]Dias W P S,Pooliyadda S P.Neural networks for predicting properties of concretes with admixtures[J].Construction and Building Materials,2000,(15):371-379.

[5]Jepsen M T.Predicting concrete durability by using artificial neural networks[J].Published in a Special NCR-Publication,2002,(6):52-68.

[6]Yeh C.Exploring concrete slump model using artificial neural networks[J].J Compute Civil Eng ASCE,2006,20(3):217-221.